Chapter2

ManipulationofRobots

Robotsoutonthefactoryfloorprettymuchknowwhat’scoming.Constrainedastheyarebyprogrammingandgeometry,theirworldisjustanassemblyline.Butforrobotsoperatingoutdoors,awayfromcivilization,bothmissionandgeographyareunpredictable.Here,robotswiththeabilitytochangetheirshapecouldbeofgreatvalue,sincetheycouldadapttoconstantlyvaryingtasksandenvironments.Modularreconfigurablerobots—experimentalsystemsmadebyinterconnectingmultiple,simple,similarunits—canperformsuchshapeshifting.TextA工廠里的機器人幾乎知道接下來會發(fā)生什么。由于受到編程和幾何的限制，它們的世界只是一條裝配線。但對于在遠離文明的戶外活動的機器人來說，任務和地理位置都是不可預測的。在這方面，具有改變形狀能力的機器人可能很有價值，因為它們能夠適應不斷變化的任務和環(huán)境。模塊化可重構機器人——由多個簡單、相似的單元相互連接而成的實驗系統(tǒng)——可以完成這種形狀變換。Imaginearobotmadeupofachainofsimplehingejoints[seeFigure2-1].Itcouldshapeitselfintoaloopandmovebyrollinglikeaself-propelledtanktread;thenbreakopenthelooptoformaserpentineconfigurationandslitherunderoroverobstacles;andthenrearrangeitsmodulesto“morph”intoamulti-leggedspider,abletostrideoverrocksandbumpyterrain.Thisrobot,dubbedPolyBot,isbeingbuiltandexperimentedwithatXeroxPaloAltoResearchCenter(PARC)1,inCalifornia.Systemsofthiskindwouldbeusefulforremote,autonomousoperations,particularlyinhostileenvironssuchasunderthesea,atthesceneofanaturaldisaster,oronotherplanets.想象一個由一串簡單的鉸鏈關節(jié)組成的機器人（見圖2-1）。它可以把自己塑造成一個圓圈，像坦克的履帶一樣滾動；然后打開回路，形成蛇形結構，滑下或越過障礙；然后重新排列它的模塊，“變形”成一個多足蜘蛛，能夠跨越巖石和崎嶇的地形。正在加利福尼亞州的施樂帕克研究中心（PARC）里制造和試驗的是PolyBot機器人。這類機器人控制系統(tǒng)將有助于遠程、自主的行動，特別是在非安全環(huán)境中，如海底、自然災害現(xiàn)場或其他星球上的非安全環(huán)境。ThreepromisesModularreconfigurablerobotsarebuiltupfromtenstohundreds,andpotentiallymillions,ofmodules.These,likecellsinahumanbody,arefewintypebutmanyinnumber.Suchrobotsarecalledn-modularsystems(wherenisthenumberofmoduletypes).三個承諾模塊化可重新配置的機器人由成千上萬個模塊組成。就像人體細胞一樣，這些細胞的類型很少，但數量很多。這種機器人被稱為n-模塊化系統(tǒng)（其中n是模塊類型的數量）。Ann-modularsystemholdsoutthreepromises:versatility,robustness,andlowcost.Itsversatilitystemsfromthemanywaysinwhichmodulescanbeconnected,muchlikeachild’sLegobricks.Thesamesetofmodulescouldconnecttoformarobotwithafewlongthinarmsandalongreachoronewithmanyshorterarmsthatcouldliftheavyobjects.Foratypicalsystemwithhundredsofmodules,thereareusuallymillionsofpossibleconfigurations,whichcanbeappliedtomanydiversetasks.n-模塊化系統(tǒng)有三個特點：多功能性、健壯性和低成本。它的多功能性源于模塊之間的多種連接方式，就像兒童的樂高積木。同樣的一組模塊可以連接起來形成一個機器人，它有幾個細長的手臂和一個較長的伸臂，或者有許多較短的手臂，可以舉起重物。對于具有數百個模塊的典型系統(tǒng)，通常有數百萬種可能的配置，可以應用于許多不同的任務。Obviously,turningabunchofuniformmodulesintoaversatilerobotisnotchild’splay.Toputtogetherausefulsystem,solutionsmustbefoundtothecomplexitiesofprogrammingagreatmanycoupled,butindependent,roboticunits.Worse,asmoremodulesareadded,manyoftheprogrammingissuesgetexponentiallyharder.Theseincludecontrollingandcoordinatingmodulestoworktogethereffectivelyandnotcollideorotherwiseinterferewitheachother.顯然，把一堆統(tǒng)一的模塊變成一個多功能機器人是件不容易的事。為了構建一個有用的系統(tǒng)，必須找到許多耦合而且獨立的機器人單元的復雜編程解決方案。更糟糕的是，隨著模塊的增加，許多編程問題變得更加困難。這些包括控制和協(xié)調的模塊有效地在一起工作，不相互碰撞或干擾。Robustnessisbornoftheredundancyandsmallnumberofmoduletypes.Themainadvantageofredundancyisthatwhenoneormoremodulesmalfunction,overallfunctiondegradesgracefully,insteadoffailingcatastrophically.Naturally,sucharoboticsystemmusthaveacontrolstrategyfordealingwithpartialfailures.Ultimately,thesystemshouldbeabletorepairitselfbysheddingcrippledunits.健壯性源于冗余和少量的模塊類型。冗余的主要優(yōu)點是，當一個或多個模塊發(fā)生故障時，整個功能會溫和地降級，而不是災難性失敗。當然，這樣的機器人系統(tǒng)必須有一個控制策略來處理部分故障。最終，該系統(tǒng)應該能夠通過剝離受損部件來自我修復。Thepromiseoflowcostmaybethemostdifficulttorealize.Beingfewintype,themodulescanbemassproduced,andaseconomiesofscalecomeintoplay,thecostofeachonecanbereduced.Buthowcheapcantheyget?Thatmayreallydependonhowsmalltheycanget.低成本的承諾可能是最難實現(xiàn)的。由于模塊的類型很少，因此可以批量生產，并且隨著規(guī)模經濟的發(fā)揮作用，每個模塊的成本都可以降低。但是它們能便宜到什么程度呢?這可能取決于它們到底能有多小。DissectingPolyBotPolyBot,themodularrobotbeingdevelopedatXeroxPARC,isachainreconfigurationrobot.Assuch,itbelongstooneofthreeclassesofreconfigurablerobots.PolyBot,whichhasbeenmadeofasmanyas100modules,hasdemonstratedseveralabilities,includinglocomotion,manipulatingsimpleobjects,andreconfiguringitself.PolyBot分析PolyBot是施樂帕克研究中心正在開發(fā)的模塊化機器人，是一種鏈式重組機器人。因此，它屬于三類可重構機器人中的一類。PolyBot由多達100個模塊組成，展示了多種功能，包括移動、操縱簡單對象和重新配置自身。ThetwousedmostatPARCareknownasG2andG1v4.Themorepowerfulone,G2,ismadeofjusttwotypesofcube-shapedmodules:asegmentthathasahinge-jointbetweentwohermaphroditicconnectionplates,andanode,whichdoesn’tmovebuthassixconnectionplates.Mostofthefunctionsdependonthehingedsegment,whichproducestherobot’smovement,whereasthenode’sjobistoprovidebranchestootherchainsofsegments.Intheory,withenoughnodesandsegments,PolyBotcouldapproximateanyshape.在研究中心使用最多的兩種是G2和G1v4。功能更強大的G2由兩種立方體模塊組成：一種是在兩個兩性連接板之間有鉸鏈連接的部分，另一種是不動但有六個連接板的節(jié)點。大部分功能依賴于鉸鏈節(jié)，鉸鏈節(jié)產生機器人的運動，而節(jié)點的工作是為其他節(jié)鏈提供分支。理論上，只要有足夠的節(jié)點和分段，PolyBot就可以近似任何形狀。EmbeddedineachPolyBotsegmentandnodeisa32-bitMotorolaPowerPC555processor(MPC555)alongwith1MBofexternalRAM2.Granted,theMPC555isaratherpowerfulprocessortohaveoneverymodule,anditsfullprocessingpowerisnotyetutilized.However,thegoalofthisresearchisalarge,multipurpose,fullyautonomousrobot,whichmayrequirethecompleteuseoftheseprocessorsandmemory.每個PolyBot段和節(jié)點中都嵌入了一個32位的MotorolaPowerPC555處理器（MPC555）和1MB的外部RAM。誠然，MPC555對于每個模塊來說都是一個相當強大的處理器，它的全部處理能力還沒有得到充分利用。然而，這項研究的目標是一個大型的、多用途的、完全自主的機器人，它可能會完全使用這些處理器和內存。TheG2hastwokindsofsensors:positionsensors,todeterminetheanglebetweenthetwoconnectionplates,andproximitysensors.ThefirstareHalleffectsensors,whichmeasurevoltageinducedbymagneticfluxtodeterminethemotor’sanglewitharesolutionof0.45degrees.Thesealsoserveforcommutationandarebuiltintothesegment’s30-WbrushlessDCmotors3,whichcangenerate4.5newton-metersoftorque.Theproximitysensorsareinfrareddetectorsandemittersmountedontheconnectionplates.Theyserveprimarilytoaidindockingtwomodulesbutcanalsobeusedtohelptherobotmaneuverintightspaces.G2有兩種傳感器：位置傳感器，用于確定兩個連接板之間的角度，以及距離傳感器。另一種是霍爾效應傳感器，它測量由磁通量引起的電壓，以確定電機的角度，分辨率為0.45度。這些也可以用于換向，并內置在該部分的30W無刷直流電機，可以產生4.5N·m的扭矩。接近傳感器是安裝在連接板上的紅外探測器和發(fā)射器。它們主要作用于輔助對接兩個模塊，但也可以用于幫助機器人在狹窄的空間內進行操作。ProgrammingperplexitiesProgrammingthemovementsofn-modularsystemsisastruggle.Asthenumberofmodulesgrows,thecomplexityofmanyofthecomputationaltasksexplodes.Atthesametime,though,becauseeachmodulehasitsowncomputer,thecomputationalresourcesincrease,butonlylinearly.Furthercomplicationsaccruefromincreasesinthenumberofmoduletypes,thedistributednatureoftheresources,constraintsposedbytorquelimitsofthemotors,failingmodules,andlimitedcommunicationbandwidth.Tokeepconfusionatbay,threecontroltechniquesarebeingtried:gaitcontroltables4,anunusualmessagingmethod,andahierarchicalorganization.編程的困惑對n-模塊化系統(tǒng)的運動進行編程是一項艱巨的任務。隨著模塊數量的增加，許多計算任務的復雜性會急劇增加。與此同時，由于每個模塊都有自己的計算機，計算資源會增加，但只是線性增加。模塊類型的數量增加、資源的分布式性質、電機扭矩帶來的限制、模塊故障和通信帶寬有限，這些因素都會導致進一步的復雜性。為了避免混淆，工程師正在嘗試三種控制技術：步態(tài)控制表、一種不同尋常的消息傳遞方法和分層組織。Agaitcontroltablestoresprecomputedmotionsforreference[seeFigure2-2].Simpleopen-loopcontrolinstructionscoupledwiththemechanicsoftheconfigurationsufficeformanyofthecapabilitiesdemonstratedsofar,includingthesnake,loop,andspidergaits.Mostoften,onemodulecontainsthesetofgaitcontroltables,whicharedownloadedasneededtotheothermodules.步態(tài)控制表存儲預先計算的運動作為參考（見圖2-2）。簡單的開環(huán)控制指令加上配置的機制就足以滿足目前演示的許多功能，包括蛇、環(huán)和蜘蛛步態(tài)。通常，一個模塊包含一組步態(tài)控制表，需要時可將其下載到其他模塊。Still,beyondaveryminimalpoint,notablecouldholdallofarobot’spossiblegaitsandconfigurations,becausethatnumbersoarsexponentiallywiththenumberofitsmodules.APolyBotwith10segmentsandtwonodes,say,couldformhundredsofdistinctconfigurations,whileanotherwith100segmentsand10nodescouldmakewelloveramillion.Foranygivenapplication,though,arobotreliesonafixedandrelativelysmallsetofconfigurations,determinedbyanalyzingthetasktobeperformed.Thesequenceofmotionsbywhichtherobotchangesconfigurationisthenplannedandstoredinatable.Thisapproachdoesnotfullyexploittheversatilityofthesystem,bothforself-repairandforadaptationtothetaskinhand.Forthat,therobotwouldhavetobeabletoreconfigureitselfintoarbitraryshapes.ThisissomethingresearchersatPARCareworkingon.盡管如此，在極小值點之外，沒有一張表格可以容納機器人所有可能的步態(tài)和配置，因為這個數字隨著模塊的數量的增加呈指數增長。例如，一個擁有10個線段和兩個節(jié)點的PolyBot可以形成數百種不同的配置，而另一個擁有100個線段和10個節(jié)點的PolyBot可以形成100多萬個。然而，對于任何給定的應用程序，機器人都依賴于一組固定且相對較小的配置，這些配置是通過分析要執(zhí)行的任務所確定的。然后計劃機器人改變配置的動作序列并將其存儲在一個表中。這種方法沒有充分利用系統(tǒng)的通用性，既不能進行自我修復，也不能適應手頭的任務。為此，機器人必須能夠重新配置自己成任意形狀。這是帕克研究中心的研究人員正在進行的研究。Analternativetogaitcontroltablesisamessage-passingmethoddevelopedbytheUniversityofSouthernCalifornia’sInformationSciencesInstitute.Thenoveltechniqueismodeledonthewayasinglehormonemayproduceavarietyofresponsesthroughoutthehumanbody.Ratherthanspecificinstructionsbeingsenttoeachmodule,asinglemessageflowsfrommoduletomodule.Itismodifiedbysomeofthemasitpassesthroughandthereforesendsdissimilarmessagestoandproducesdifferenteffectsonothermodules.Thestateofthemoduletowhichthemessageispasseddictateswhetherandhowthemessageisaltered.Thesamemessage,then,couldchangethemotorangleinonesegment,notchangeitinthenext,anddeleteitselfinthethird.步態(tài)控制表的替代選擇是由南加州大學信息科學研究所開發(fā)的消息傳遞方法。這項新技術是根據一種激素在整個人體產生多種反應的方式來建模的。不是將特定的指令發(fā)送到每個模塊，而是單個消息從一個模塊流到另一個模塊。在傳遞時被其中一些模塊修改了信息，因此向其他模塊發(fā)送不同的消息，并對其他模塊產生不同的影響。消息傳遞到的模塊的狀態(tài)決定了是否更改消息以及如何更改消息。同樣的信息，可以在一段信息中改變發(fā)動機的角度，在下一段中不改變，并在第三段中刪除自己。Anotherwayofsimplifyingprogramming,whichiswellsuitedtochain-typerobots,istodividetherobotintohierarchicalportions,ratherasafinger,hand,andarmformahierarchywithinthebody.Severalmodulescanbegroupedintolargervirtualmodules,whichcanthenalsobegroupedandahierarchyformed.Suchanorganizationsimplifiestheprogramming,becausethemotionsofthemoduleswithinthesmallervirtualmodulesmatterless.Ahandneednotknowhowitgotoverthekeyboard,justthatitgotthere;andashouldercouldn’tcarelesswhetherafingertyped“y”or“m,”justthattheshoulderpointedtheupperarmtowardthedesktop.另一種簡化編程的方法（非常適合鏈式機器人）是將機器人分成層次結構的部分，就像手指、手和手臂在體內形成層次結構那樣。幾個模塊可以分組成更大的虛擬模塊，然后也可以分組并形成層次結構。這樣的組織簡化了編程，因為較小的虛擬模塊中的模塊的運動影響較小。一只手不需要知道它是如何越過鍵盤的，只需要知道它是如何到達那里的；肩膀只會把上臂指向桌面，不會在意手指輸入的是“y”還是“m”。Evenasfullyautomatedvehiclescontinuetobetestedandusedonroadways,therewilllikelystillbeaneedforhumaninvolvement.Anticipatingthisneed,NikhilChopra,anassociateprofessorintheDepartmentofMechanicalEngineeringattheUniversityofMaryland,isworkingonin-vehicletechnologythatwillsummonhelpincertainenvironments.TextB即使完全自動化的車輛繼續(xù)在道路上測試和使用，但是還需要人的參與?？紤]到這種需求，馬里蘭大學機械工程系副教授尼赫·喬普拉正在研究一種能夠在特定環(huán)境下獲得幫助的車載技術?！癢earedevelopingasecureteleassistfeaturethatcansendanalertaboutunknownsurroundings,soadrivercantakecontrolofthecarfromaremotelocationforaddedsafety,”Chopraexplains.Indrivingenvironmentsthatcallforflexibilityandahigh-levelofdecision-making,ahumanwouldcurrentlybeabetterbetthanamachine.Ascenariowherethereisroadconstructionandadetourthatforcesthevehicleintounfamiliarterritoryisagoodexampleofthis,accordingtoChopra.“Inthiscase,someonewouldassumecontrolofthewheelandpedalsremotelytonavigatethroughthisenvironment,”hesays.喬普拉解釋說：“我們正在開發(fā)一種安全的遠程輔助功能，它可以發(fā)送未知環(huán)境的警報，這樣司機就可以在遠距離的地方控制汽車，從而增加安全性?！蹦壳叭祟惐葯C器更適合在要求靈活性和高層決策的駕駛環(huán)境中駕駛。喬普拉舉了一個很好的例子：在進行道路建設和一個迫使車輛進入陌生范圍的彎路情況下。“在這種情況下，有人會遠程控制方向盤和踏板，在這種環(huán)境中導航?！彼f。HowitWorksRememberthatchildhoodgameSimonSays?Youfollowtheflashinglights(red,blue,yellowandgreen)andtrytoimitatethesequence.Themachinecomparesyourselectionstoitsown.Thechallengeistorememberalltheflashingcolorsintherightorder.Flashforwardtotodayandreversetheroles.Nowamachinecanimitateyouinreal-time.Nowyoucanholdajoystickordataglovetocommunicatetactilesensationstocarsandrobotsandusethiscapabilitytoimproveefficiencywhileadvancingsafety.它是如何工作的？還記得童年游戲西蒙說嗎?你跟著閃爍的燈光（紅、藍、黃、綠），試著模仿這個順序。這臺機器會比較你的選擇和它自己的選擇。挑戰(zhàn)是要記住所有閃爍顏色的正確順序。如今，角色互換。現(xiàn)在一臺機器可以實時模仿你?，F(xiàn)在你可以拿著操縱桿或數據手套與汽車和機器人交流觸覺，并利用這種能力提高效率，同時提高安全性。Withhapticdevices,humanscaninteractwithcomputersbysendingandreceivinginformationthroughfeltsensations.ThisisthekindofworkthatChoprahasbeenspearheadinginrecentyears.Agoodportionofhisresearchintheautomotivedomainaimstoadvancenetworkedcontrolforconnectedsemiautonomousvehiclesandvirtualreality-basedmultimodallearninginself-drivingcars.通過觸覺設備，人類可以通過感覺來發(fā)送和接收信息，從而與計算機進行交互。這是喬普拉近年來一直在領導的研究工作。他在汽車領域的大部分研究都是為了推進互聯(lián)半自主車輛的網絡控制，以及自動駕駛汽車中基于虛擬現(xiàn)實的多模態(tài)學習。CollisionAvoidance“Theworkinvolvesusinginter-vehiclecommunicationforcooperativeadaptivecruisecontrolwithsafetyfeaturessuchascollisionavoidance,”Chopraexplains.“Thegoalistoenhancethesafetyofcurrentadaptivecruisecontrolswhileimprovingthedrivingexperience.”避免碰撞喬普拉解釋說：“這項工作涉及使用車輛間通信進行具有避碰等安全特性的合作自適應巡航控制。我們的目標是在改善駕駛體驗的同時，提高現(xiàn)有自適應巡航控制系統(tǒng)的安全性?！盇vehicleequippedwithadaptivecruisecontrolcanmaintainasafedistancefromthevehicleaheadofitthroughtechnologythatautomaticallyadjustsitsspeed.Thisisespeciallybeneficialonhighvolumeroadwaysandstopandgotraffic.Cooperativeadaptivecruisecontrolexpandsonthiscapabilitybyallowingvehiclestotalktoeachotherthroughdedicatedshort-rangecommunication,enablingcooperativeandsynchronousbra